城市化对北京单次极端高温过程影响的数值模拟研究

城市化对高温热浪的频次和强度具有重要影响,但目前对于城市化影响高温热浪过程的机理了解还不充分。本文利用WRF模式,对2010年7月2～6日（北京时）北京一次高温过程进行了模拟,分析了城市化对此次高温过程的影响机理。采用优化后的WRF模式,能够模拟出北京连续5日高温的特征和城市热岛强度的变化。城市下垫面的不透水性决定了城区2 m高度处相对湿度低于乡村,削弱了城区通过潜热调节城市气温的能力。日落后,城市感热通量下降缓慢,城区降温速率小于乡村,夜间边界层稳定、高度低,风速小,抑制了城乡之间能量的传输,形成了夜间强的城市热岛强度,造成夜间城市气温明显高于乡村。日出后城乡地面感热通量、潜热通量迅速上升,边界层稳定性下降。午后,城市下垫面分别为地表感热通量和潜热通量的高、低值中心,通过潜热调节气温的能力被削弱;边界层稳定性降低,有利于能量的垂直扩散;此时,城市热岛强度小于夜间。因此,北京城市下垫面形成了明显的城市热岛效应,加重了城区极端高温事件的强度。此外,在这次高温热浪期间,中国东部大部分地区受到大陆暖高压控制,晴空少云,西北气流越山后形成焚风效应,是北京地区高温热浪形成的天气背景。     

西安一次夜间异常增温过程的数值模拟及诊断

利用WRF及其耦合单层城市冠层模式(UCM,Urban Canopy Model),对2012年12月4日夜间西安地区温度异常演变的天气过程进行模拟分析。结果表明,耦合了城市冠层模式的WRF系统能够较好地模拟出西安夜间温度异常升高的局地性特征,考虑了精细化下垫面分类模拟的逐时温度演变更接近实况,平均绝对误差小。天气系统与地处秦岭北麓关中平原的特殊地形是引起西安地区夜间出现温度不降反增的主要原因。首先表现在西北路冷空气推动锋前暖空气从高海拔地区到达关中平原引起的下沉增温效应;其次受秦岭地形阻挡的影响,西安地区近地层锋前的暖空气被急剧压缩出现短暂升温。城区地表温度存在显著的热岛效应,由于城区不透水下垫面的扩大,使得城区地表的水汽通量显著减小,感热通量增大,潜热通量减小,西安城区夜间气温异常升高幅度较其它区县明显偏大。     

城市冠层模式在GRAPES模式中的应用

在GRAPES中尺度模式中耦合了城市冠层模式(Urban Canopy Model,简写为UCM),并选择珠江三角洲(简称"珠三角")地区2011年7月10日夜间强降水过程和2012年8月19日的高温个例,考察了GRAPES中尺度模式与城市冠层模式耦合在珠三角地区的模拟效果,分别设置了两组试验,在GRAPES模式中耦合和未耦合城市冠层模式(UCM和noUCM)。结果发现,UCM对强降水中心和降水落区的模拟都较noUCM有明显的改善,从降水的四个评估指数(命中率、反命中率、威胁指数及偏差)也可以看出,UCM的结果较noUCM有了较明显的提高,尤其是命中率和威胁指数;对2 m高度的温度和地表热通量而言,两组试验的日间温度和热通量差异较大,中心城区UCM模拟的温度较noUCM高2~4℃,最大差值达5~6℃,热通量差异基本在150 W/m~2,而在夜间,两组试验模拟的温度和热通量差异减小,温度差值基本在0.5~1.0℃之内,热通量差异一般在10 W/m~2左右。两组试验对降水模拟差异的主要原因是UCM模拟出了降水前期地面强的辐合区及相应的温度高值区,对流层低层较大范围的垂直上升运动和辐合上升,对流层中层的暖湿中心及地面较大的CAPE值(达2 000~3 000 J/kg),而noUCM的模拟偏弱或是未能模拟出来。从另外高温个例观测与模式模拟的对比结果来看,UCM模拟的近地面气温、风速、感热通量、向下短波辐射通量和向上长波辐射通量与观测的误差减小,但感热通量与向下短波辐射通量与观测存在一定差距。     

地表利用城市化在一次极端高温过程数值模拟中的影响

地表种类的城市化对城市区域的热力结构和局地环流都会产生巨大的影响。利用地面、高空观测资料和MODIS地表覆盖资料,使用耦合城市冠层模式(UCM)的区域中尺度数值模式(WRF),对2013年8月8日福州地区的一次极端高温天气过程进行数值模拟,研究地表利用变化对福州城市热岛效应及其对福州城市区域局地环流的影响。结果表明:地表利用的城市化使得午后城市热岛现象更加明显而夜间热岛效应呈现出减小的趋势;地表利用城市化后,中心城区的近地面风速减小,但城区与山区以及城区与海洋之间的局地热力环流明显加强,促进了山谷风和海陆风环流的发展;同时地表加热效应增强,促进了垂直运动的发展。      

城市化对中山夏季高温影响数值模拟

统计工业、交通、生活能源的消耗计算出中山市的人为热排放量,在WRF模式中使用新旧两套下垫面资料以及在城市地区引入人为热的排放,对2010年7月2—5日中山市的连续高温天气进行模拟,以评估城市化对中山市极端高温天气的影响。结果表明,在使用了新的下垫面资料后,模式能很好地模拟出中山市气温的变化和分布趋势,城市地区的热岛现象显著。城市下垫面和人为热分别使平均气温上升0.9℃和0.2℃,下垫面的改变引起的温度上升要比人为热明显,最低气温的增幅比最高气温要大。城市下垫面和人为热均能使城市热岛强度得到增强,热岛强度的变化在夜间比日间明显,在日出前达到最大,城市下垫面引起的热岛强度变化最大为1.5℃,而人为热为0.6℃。城市下垫面和人为热的引入增加了地表感热通量,使城市地区气温上升,下垫面引起的感热通量变化明显比人为热引起的要大。日间感热通量的增加比夜间大,但气温的增加则是夜间比日间明显。     

城市下垫面对河谷城市兰州冬季热岛效应及边界层结构的影响

利用中尺度数值模式WRF耦合单层城市冠层模块UCM,引入2005年MODIS土地利用类型资料,在对2005年1月25—28日兰州市热岛现象进行高分辨率数值模拟的基础上,设计了去除城市下垫面敏感性试验,探讨了城市下垫面对城市边界层的影响程度。结果表明,城市下垫面能使近地层大气温度升高而风速减小,并且,在夜间表现更明显。由城市热岛强度日变化分析可知,城市下垫面对兰州市热岛强度的贡献率为44%。夜间,城市上空200 m以下的近地层大气保持了白天的混合层特征,热岛环流的上升运动促进了山风环流,使得上升气流到达地面以上600 m左右;白天,由于山峰加热效应,城市上空400—600 m存在一个脱地逆温层,城市热岛环流使得11—15时（北京时）市区近地层出现弱上升气流,抑制了谷风环流的形成及发展。城市下垫面的低反照率特性和建筑物的多次反射作用导致城市下垫面的净辐射通量大于非城市下垫面;城市下垫面由于建筑材料的不透水性,导致潜热通量远小于感热通量,而储热项所占比重明显增大。     

苏锡常地区热岛观测与数值模拟研究

结合气象观测、遥感和模式模拟的方法研究了环太湖城市的热岛现象,分析了苏锡常地区2010年5月24日的热岛特征。气象站资料显示苏锡常地区近地面热岛强度具有明显的日变化,12 h前热岛强度在0.5~1℃之间,夜间可达2℃以上。LANDSAT和MODIS卫星观测反演的地表热岛强度约5~7℃。随着太阳辐射的增加热岛加强,其分布及强度与城市下垫面结构和城市发展水平密切相关,苏州的热岛强度最高,无锡次之。WRF模式模拟结果表明城市感热通量大、潜热通量小,高波恩比促进了热岛的发展,进而抬升边界层高度。城市动力、热力特性的改变破坏了自然的能量平衡,会对边界层内气象要素和湍流通量的垂直分布造成影响。     

不同下垫面数据和城市冠层参数化方案对江苏气温影响的个例分析

利用中尺度数值模式WRF,分别选用新旧两种下垫面资料和不同城市冠层模型设计试验,以江苏一次秋末高温天气个例(2014年11月20—21日)为背景,研究城市化进程对气温的影响和可能机制。将模式结果与江苏国家气象观测站和地面加密区域自动站观测资料进行对比,并分析3组试验结果发现:(1)采用BEP城市方案对2 m气温、2 m相对湿度和10 m风速等物理量的日变化模拟最优。(2)相比USGS数据,MODIS较新地表覆盖变化数据能更真实反映研究区域当前地表类型分布情况,且能提高近地面风温湿要素空间分布的模拟。(3)分析不同试验模拟的地表能量平衡过程差异,发现相比UCM单层城市冠层方案,BEP多层城市冠层方案在白天能更好模拟出城市地区的温度升高以及相对应的地表感热通量和地面热通量的增加。     

里下河地区下垫面变化对降水、气温、风速的影响

近年来,随着苏北地区经济和城市的快速发展,土地覆盖状况发生了显著变化,其中尤以城市化扩展为主。为了分析下垫面变化对天气过程的影响,特别是对降水过程的影响,采用中尺度WRF3.4/Noah/UCM模式,对苏北里下河地区2005年8月6日的一次强降水过程进行了模拟,其中通过改变模式的下垫面特征,设置了三种敏感性分析试验,分别是USGS土地利用类型(CASE1)、修正后的MODIS土地利用类型(CASE2)和城市极端扩张后土地利用类型(CASE3)。研究结果表明,修正后的MODIS土地利用类型数据(CASE2)更能真实地反映里下河地区的下垫面结构,与实测值对比后发现模拟的降水、气温和风速等气象要素更为准确。通过将CASE2、CASE3与CASE1的模拟结果对比发现,城市下垫面增加后会使城市气温明显增加,上空的风速减小;白天地表感热通量增强,潜热通量减小,夜间延长了感热通量由正变负的时间;边界层高度被抬升,在中午前后分别被抬升了近45 m和100 m左右;垂直速度和散度值增大,大气低层的扰动位温增加,云水混合比和雨水混合比均增多。以上这些条件均有助于对流降水天气的发生、发展。     

太原城市下垫面扩张对边界层特征影响的个例研究

通过高分辨率卫星夜间灯光数据获取最新的城市地表分布,并利用高分辨率数值模式对2013年8月14~16日太原区域的一次高温过程进行研究,探讨城市下垫面扩张对大气边界层的影响。结果表明：基于DMSP/OLS夜间灯光数据对模式中地表参数修正后,能够更准确地反映太原主城区和高速公路沿线小规模建筑群的扩张,有效改善了模式的预报性能,显著提高对近地面气温、地表温度的预报能力。城市下垫面的扩张,使城区夜间升温明显,热岛强度增强。与1992年的城市化状况相比,晴空天气条件下,2012年太原城区夜间气温上升5℃,热岛强度升高2~3℃。城市下垫面扩张,改变了地表能量分配关系,使得地表感热传输明显加强,潜热通量明显减弱,城市冠层作用下的储热能力增强。边界层内部湍流交换、水汽输送等的进一步研究表明：城市地表水汽输送减弱,边界层水汽含量减少,2~4 km高度的水汽含量增加,湍流动能的影响高度增高,湍流混合加剧;14：00,城区边界层高度抬高了800 m,城市上空混合层加深,持续时间更长。     

热传导方程时间变量的双参数化

本文采用时间变量τ的双参数表示式:τ=Tω t,导出了双时间参数热传导方程。用于处理土温日变化时,得出了有进动的土温日波动的双时间参数解析式,从而引入了日平均温度随深度的非线性变化项,改进了迄今通用的但并不合理的线性分布的表示式。     

人为热源对城市热岛效应影响的数值模拟试验

利用耦合了单层城市冠层模型UCM的中尺度模式WRF,研究了人为热源对上海区域城市气候的影响。冬季地表温度的模拟结果表明,使用新陆面资料的试验效果要好于使用旧的陆面资料,加入人为热源的试验效果要优于没有加入人为热源的试验,这些反映了热岛效应是不断增加的城市面积和人为热源共同决定的。不同试验模拟的2 m高度上气温的模拟情况时,使用新陆面资料并且加入合理人为热源的试验模拟值明显大于其他试验的模拟值。     

上海城市热岛的变化特征分析

利用最近安装于上海城市和近郊的Davis自动气象观测每半小时一次详细的记录，对上海市热岛的变化特征进行初步分析。结果表明：上海市城市热岛全年出现概率为87．8％，月平均热岛强度值大于0．8℃；热岛强度日变化明显，存在24小时的主要周期和12小时的次周期，一般是夜间热岛强于白天；其季节变化亦较显著 ，平均热岛强度秋冬季节较强，夏季较弱；热岛中心存在位置漂移现象。     

基于土地利用和人为热修正的城市夏季高温数值试验

为了评估土地利用变化和人为热对区域气象环境产生的影响,同时针对WRF模式对城市土地利用和人为热刻画不够准确的现状,以上海为例,选用GLC2009对WRF中上海地区原有数据进行修正。通过楼层信息将上海市分为三类(商业区、高强度区、低强度区),同时重新估算了人为热通量和人为热释放日变化系数。利用WRF/UCM对2010年8月11—17日的一次高温过程进行了模拟试验。与观测资料的对比表明:新的土地利用数据较真实地反映了上海地区下垫面的变化,尤其是大规模建设导致的城市功能区变化;使用新的土地利用和人为热数据,温度和比湿模拟的平均偏差分别改善了1.95 ℃和0.713 g/kg;高温范围和比湿对土地利用的改变最敏感,高温强度对人为热最敏感。      

中国地表热源的气候学特征

利用研制的地表热量平衡各分量的气候计算方法，结合全国６个热平衡站资料，计算并讨论了地表热源在全国的分布特征，分析了地面对大气加热的特点以及地表热源的参数化问题。指出季风气候背景、纬度、地形和地表湿润状况是决定地表热源特征的重要因素。就全年来说，在我国湿润、半湿润地区，潜热是地面加热大气的主要形式，西北干燥区则以感热加热为主。     

城市热岛时空特征及其影响因素

城市热岛强度呈周期性和非周期性交叉性时间变化,水平分布呈现单中心式、多中心、条状、辐射状、格网状等多种格局形式,同时具有明显的立体空间分布特征。城市热岛的形成原因及影响因素诸多,主要归纳为人为热量释放、下垫面性质和结构、植被减少、大气污染、城市格局、天气状况等。     

CLIMATOLOGICAL CALCULATION OF SURFACE LATENT HEAT OVER CHINA

In the context of measurements from all the thermal balance stations over China,two methodsof calculating surface latent heat for its climatic features are proposed through experiments with arange of schemes,one being the empirical type based on the relationship between ground latent heatand vapor pressure,and the other upon the Bowen ratio parameterization.Either of them has itsunique merits so that they can be considered in specific case to have higher accuracy.On this basis.investigation is done of the feature of geographic distribution and annual variability of the heatacross the country.     

热带西太平洋暖池表层热含量分析

利用１９６１￣１９９７年中的资料,对热带西太平洋暖池的热含量进行了分析,并搪塞了暖池热含量变化与南方涛动的关系,结果表明：暖池热含量具有明显的季节和年际变化,暖池全域,西部（１６０°Ｅ以西部分）和东部（１８０°Ｅ以东部分）热呈的年际变化存在较明显的差异,暖池全域和暖池东部热呈与南方涛动存在着负相关,暖池西部热含量与南方涛是为正相关。     

西太平洋热带海域动量、感热和潜热等湍流通量的观测研究

本文根据中国科学院“实验3号”科学考察船1986年10月至12月在菲律宾以东60多万平方公里辽阔的西太平洋热带海域6个连续测站上(146°E,0°;145°E,0°;150°E,0°;140°E,5°N;145°E,5°N;150°E,5°N),使用我国自行研制的小型系留气艇探测系统观测到的大气温度、湿度、气压和风等廓线资料,利用相似理论的通量-廓线关系,给出这一海域的动量通量(特别是曳力系数C_D)、感热通量和潜热通量。结果表明,这一海域上的曳力系数值C_D=(1.53±0.25)×10~(-3);该海域总是将其贮存的热量以感热形式特别是以潜热形式输送到大气中(其中感热输送仅占10％,其余主要为水汽潜热输送),使该海域成为地球上不可多见的热源。